CN108639337A - 可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构 - Google Patents

可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，包括支撑架、传动系统、机架及两套空间四杆机构；机架固定在支撑架上，传动系统安装在支撑架和机架上；机架上固定输出轴，传动系统通过齿轮传动带动输出轴转动；两套空间四杆机构对称安装在输出轴的两端；空间四杆机构包括曲柄、连杆和摇杆；曲柄的一端固定安装在输出轴的端头，另一端通过转向万向节连接连杆；摇杆的一端与连杆形成转动副，另一端为自由端，同时，摇杆与机架通过球副连接。该单自由度扑翼机构结构简单、传动效率高，单自由度驱动就可实现仿昆虫翅翼空间“8”字型运动轨迹。

Description

可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构
技术领域
本发明涉及一种扑翼飞行器的扑翼机构，具体为一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构。
背景技术
微型飞行器的翼展长度在15cm以内，重量不超过100g，飞行速度为10～20m/s，留空时间20～60min；它应具有实时成像、导航和通讯传输能力，在军事侦察、跟踪拍摄、获取敌情等军事领域，及灾后救援、勘探检测、航空拍摄等民用领域都具有巨大的应用前景。
飞行器通常分为固定翼飞行器、旋翼飞行器和扑翼飞行器。固定翼和旋翼飞行器的发展已经到了较成熟的阶段，但是当飞行器的尺寸降到10cm的量级时，固定翼和旋翼飞行器的气动性能和飞行效率将大大降低。而与微型飞行器尺寸相当的昆虫和小型鸟类却表现出了极其出色的飞行能力，所以仿昆虫和鸟类的微型扑翼飞行器成为业界研究的热点。
自然界的昆虫和鸟类飞行时，翅膀多采用空间“8”字型扑动方式，其空间三维扑动方式由翅膀的拍打、摆动和扭转运动来实现。而目前研制出的扑翼机构多使用平面曲柄摇杆机构，只能实现二维上下扑动，或需要加上一些辅助机构才能实现扑翼的多维扑动，结构较为复杂，不利于扑翼飞行器微型化。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，其结构简单、传动效率高，单自由度驱动就可实现仿昆虫翅翼空间“8”字型运动轨迹。
为此，本发明的技术方案如下：
一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，包括支撑架、传动系统、机架及两套空间四杆机构；
所述机架固定在支撑架上，所述传动系统安装在支撑架和机架上；
所述机架上固定输出轴，所述传动系统通过齿轮传动带动输出轴转动；
两套所述空间四杆机构对称安装在所述输出轴的两端；所述空间四杆机构包括曲柄、连杆和摇杆；所述曲柄的一端固定安装在所述输出轴的端头，另一端通过转向万向节连接连杆的第一端；所述连杆的第二端与摇杆的第一端形成转动副；所述摇杆的第二端为自由端，所述摇杆与所述机架通过球副连接。
一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，包括支撑架、传动系统、机架及两套空间四杆机构；
所述机架固定在支撑架上，所述传动系统安装在支撑架和机架上；
所述传动系统包括驱动电机、电机轴齿轮、双联齿轮、第一齿轮、第二齿轮、冠齿轮、第一传动轴、第二传动轴和输出轴；所述第一传动轴和第二传动轴设置于所述支撑架与机架之间，其中第二传动轴穿过所述机架；所述双联齿轮安装在第一传动轴上；所述第一、第二齿轮均安装在第二传动轴上；所述输出轴安装在机架上，所述冠齿轮安装在所述输出轴上；所述输出轴与所述第二传动轴相垂直；所述驱动电机安装在支撑架上，所述电机轴齿轮安装在所述驱动电机的电机轴上；所述双联齿轮的大齿轮与所述电机轴齿轮啮合，双联齿轮的小齿轮与所述第一齿轮啮合；所述第二齿轮设置于所述第二传动轴的自由端，与所述第一齿轮同轴转动；所述第二齿轮与所述冠齿轮啮合；
两套所述空间四杆机构对称安装在所述输出轴的两端；所述空间四杆机构包括曲柄、连杆和摇杆；所述曲柄的一端固定安装在所述输出轴的端头，另一端通过转向万向节连接连杆的第一端；所述连杆的第二端与摇杆的第一端形成转动副；所述摇杆的第二端为自由端，所述摇杆与所述机架通过球副连接。
进一步，所述机架包括本体、设置于所述本体后部的固定架、设置于所述本体前侧的一对球副支撑杆和一对输出轴支撑杆；所述本体的底部设置有支撑座；所述本体的上还设置有第一传动轴安装孔和第二传动轴安装孔。
进一步，所述支撑架内还安装有电池和驱动电机控制板，所述电池、驱动电机控制板与驱动电机连接。
进一步，所述驱动电机为空心杯电机。
进一步，所述空间四杆机构为3D打印件，材料为光敏树脂。
该可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构利用空间RURS机构的单自由度特性，仅需一个驱动输入即可实现仿昆虫翅翼的空间“8”字型运动，空间四杆机构的对称布置增加了扑翼机构运动的稳定性，同时通过双联齿轮、第一齿轮、第二齿轮及冠齿轮的配合，实现了系统输入与输出方向的变向，使传动系统与空间四杆机构易于连接和安装。使用微型驱动电机作为驱动电机，从而实现较高的扑翼频率，并且控制易于实现。最终得到的单自由度扑翼机构具有结构简单紧凑，传动效率高，运行稳定，重量轻的优点。
附图说明
图1为本发明提供的可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构的一种实施方式的结构示意图；
图2为图1中单自由度扑翼机构移去机架及两套空间四杆机构后的结构示意图；
图3为图1中单自由度扑翼机构的机架和两套空间四杆机构的结构示意图；
图4为图1中单自由度扑翼机构的机架的结构示意图；
图5为图1中单自由度扑翼机构的转向万向节的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1～5所示，一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，包括支撑架1、传动系统2、机架3及两套空间四杆机构4；机架3固定在支撑架1上，传动系统2安装在支撑架1和机架3上(见图1)；机架3上固定输出轴209，传动系统2通过齿轮传动带动输出轴209转动；作为本发明的一个实施方式，如图2所示，传动系统2包括驱动电机201、电机轴齿轮202、双联齿轮203、第一齿轮204、第二齿轮205、冠齿轮206、第一传动轴207、第二传动轴208和输出轴209；第一传动轴207和第二传动轴208设置于支撑架1与机架3之间，其中第二传动轴208穿过机架3；双联齿轮203安装在第一传动轴207上；第一齿轮204、第二齿轮205均安装在第二传动轴208上；输出轴209安装在机架3上，冠齿轮206安装在输出轴209上；输出轴209与第二传动轴208相垂直；驱动电机201安装在支撑架1上，电机轴齿轮202安装在驱动电机201的电机轴上；双联齿轮203的大齿轮与电机轴齿轮202啮合，双联齿轮203的小齿轮与第一齿轮204啮合；第二齿轮205设置于第二传动轴208的自由端，与第一齿轮204同轴转动；第二齿轮205与冠齿轮206啮合；
如图3所示，两套空间四杆机构4对称安装在输出轴209的两端；空间四杆机构包括曲柄401、连杆403和摇杆404；曲柄401的一端固定安装在输出轴209的端头，另一端通过转向万向节402连接连杆403的第一端；连杆403的第二端与摇杆404的第一端形成转动副；摇杆404的第二端为自由端，摇杆404与机架3通过球副405连接。曲柄401、连杆403、摇杆404和机架3的局部形成闭环，构成空间四杆机构。
为了是实现电机的可控性工作，支撑架1内还安装有电池5和驱动电机控制板6，电池5、驱动电机控制板6与驱动电机201连接。优选，驱动电机201选用空心杯电机，空间四杆机构4为3D打印件，材料为光敏树脂。
作为本发明的一个实施例，如图4所示，机架3包括本体301、设置于本体301后部的固定架302、设置于本体301前侧的一对球副支撑杆303和一对输出轴支撑杆304；本体301的底部设置有支撑座305；本体301上还设置有第一传动轴安装孔306和第二传动轴安装孔307。曲柄401、连杆403、摇杆404和机架3的局部(曲柄401靠近输出轴209端的安装点与安装有球副405的球副支撑杆303间的机架)形成闭环，构成空间四杆机构。

Claims (6)

1.一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，其特征在于：包括支撑架(1)、传动系统(2)、机架(3)及两套空间四杆机构(4)；
所述机架(3)固定在支撑架(1)上，所述传动系统(2)安装在支撑架(1)和机架(3)上；
所述机架(3)上固定输出轴(209)，所述传动系统(2)通过齿轮传动带动输出轴(209)转动；
两套所述空间四杆机构(4)对称安装在所述输出轴(209)的两端；所述空间四杆机构包括曲柄(401)、连杆(403)和摇杆(404)；所述曲柄(401)的一端固定安装在所述输出轴(209)的端头，另一端通过转向万向节(402)连接连杆(403)的第一端；所述连杆(403)的第二端与摇杆(404)的第一端形成转动副；所述摇杆(404)的第二端为自由端，所述摇杆(404)与所述机架(3)通过球副(405)连接。
2.一种可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，其特征在于：包括支撑架(1)、传动系统(2)、机架(3)及两套空间四杆机构(4)；
所述机架(3)固定在支撑架(1)上，所述传动系统(2)安装在支撑架(1)和机架(3)上；
所述传动系统(2)包括驱动电机(201)、电机轴齿轮(202)、双联齿轮(203)、第一齿轮(204)、第二齿轮205、冠齿轮(206)、第一传动轴(207)、第二传动轴(208)和输出轴(209)；所述第一传动轴(207)和第二传动轴(208)设置于所述支撑架(1)与机架(3)之间，其中第二传动轴(208)穿过所述机架(3)；所述双联齿轮(203)安装在第一传动轴(207)上；所述第一齿轮(204)、第二齿轮(205)均安装在第二传动轴(208)上；所述输出轴(209)安装在机架(3)上，所述冠齿轮(206)安装在所述输出轴(209)上；所述输出轴(209)与所述第二传动轴(208)相垂直；所述驱动电机(201)安装在支撑架(1)上，所述电机轴齿轮(202)安装在所述驱动电机(201)的电机轴上；所述双联齿轮(203)的大齿轮与所述电机轴齿轮(202)啮合，双联齿轮(203)的小齿轮与所述第一齿轮(204)啮合；所述第二齿轮(205)设置于所述第二传动轴(208)的自由端，与所述第一齿轮(204)同轴转动；所述第二齿轮(205)与所述冠齿轮(206)啮合；
两套所述空间四杆机构(4)对称安装在所述输出轴(209)的两端；所述空间四杆机构包括曲柄(401)、连杆(403)和摇杆(404)；所述曲柄(401)的一端固定安装在所述输出轴(209)的端头，另一端通过转向万向节(402)连接连杆(403)的第一端；所述连杆(403)的第二端与摇杆(404)的第一端形成转动副；所述摇杆(404)的第二端为自由端，所述摇杆(404)与所述机架(3)通过球副(405)连接。
3.如权利要求1或2所述可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，其特征在于：所述机架(3)包括本体(301)、设置于所述本体(301)后部的固定架(302)、设置于所述本体(301)前侧的一对球副支撑杆(303)和一对输出轴支撑杆(304)；所述本体(301)的底部设置有支撑座(305)；所述本体(301)上还设置有第一传动轴安装孔(306)和第二传动轴安装孔(307)。
4.如权利要求1或2所述可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，其特征在于：所述支撑架(1)内还安装有电池(5)和驱动电机控制板(6)，所述电池(5)、驱动电机控制板(6)与驱动电机(201)连接。
5.如权利要求1或2所述可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，其特征在于：所述驱动电机(201)为空心杯电机。
6.如权利要求1或2所述可实现空间运动轨迹的单自由度扑翼机构，其特征在于：所述空间四杆机构(4)为3D打印件，材料为光敏树脂。
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